Common Rail: дизельный впрыск

Разделы: Впрыск

Аккумуляторная топливная система или система типа Common Rail (англ. «общая магистраль») — система подачи топлива дизельных двигателей, в которой насос (ТНВД) подаёт дизельное топливо под высоким давлением (до 3000 атмосфер) в общую топливную магистраль существенного объёма (аккумулятор), откуда оно впрыскивается в цилиндры электро- или пьезогидравлическими форсунками.

Впервые прототип системы Common Rail был реализован в дизельном авиационном двигателе (L.Coatalen, 1934-35), а первый серийный дизельный двигатель Common Rail был создан в 1939 году в СССР (семейство дизелей В-2 для танка Т-34) на Харьковском паровозостроительном заводе.

Одной из ключевых особенностей системы Common Rail является независимость процессов впрыска от угла поворота коленчатого вала и режима работы двигателя, что обеспечивает высокое давление впрыска на частичных режимах и необходимо для удовлетворения современных и перспективных экологических требований.


Принцип действия

Раскрыть...

Система Common Rail принципиально является системой непосредственного впрыска дизельного топлива высокого давления, обеспечивающей исключительно хороший распыл топлива и многократное точное дозирование впрыска в пределах одного рабочего цикла. Ключевыми отличиями системы Common Rail от традиционных дизелей с ТНВД с кулачковым приводом и низким давлением подачи топлива являются:

  • топливо к форсункам подается под очень высоким давлением (до 3000 атмосфер) не непосредственно от ТНВД, а от общего накопителя – топливной рампы или аккумулятора топлива;
  • применен одноканальный ТНВД, постоянно подающий топливо в магистраль, и прецезионные исполнительные механизмы (ТНВД, форсунки);
  • высокое давление впрыска обеспечивает исключительный распыл топлива и тем самым лучшее сгорание;
  • подъём иглы форсунки осуществляется по командам ЭБУ отдельным исполнительным механизмом, а не давлением топлива;
  • процессы создания давления и впрыска топлива полностю разделены, цикловая подача топлива (количество) определяется действиями водителя, а угол опережения и давление впрыска — программой ЭБУ.

Система Common Rail

Создать столь высокое давление в системе с «обычном» ТНВД принципиально невозможно, т.к. форсунки в «обычных» системах открываются давлением топлива, и в трубопроводах от ТНВД к форсункам возникают «волны» гидравлического давления, неизбежно приводящие к разрушению трубопровода при превышении некоторого критического порога. В силу этого ограничения «обычных» ТНВД с давлением более 300 атмосфер не существует. Common Rail развивает давление до 3000 атмосфер и работает без значительных колебаний давления.

[свернуть]

Преимущества и недостатки

Раскрыть...

Преимущества системы Common Rail:

  • постоянно высокое давление в течение всего цикла подачи топлива, что обеспечивает хорошее смесеобразование и полное сгорание смеси на холостом ходу и на малых оборотах с частичной нагрузкой;
  • момент начала и конца подачи топлива определяется электроникой и может меняться в широких пределах, что позволяет точно дозировать топливо и подавать его несколькими порциями в течение рабочего цикла для более полного его сгорания (до 9 порций топлива за цикл, в ранних системах применялся двойной впрыск — пилотный и основной);
  • предварительный впрыск топлива перед основной дозой улучшает воспламенение смеси, что снижает шумность;
  • «послевпрыск» позволяет очищать сажевый фильтр — дополнительная порция топлива, не сгорая в цилиндрах, поступает в фильтр и разогревает его до температур, при которых сажа полностью выжигается;
  • в целом — снижение расхода топлива и шума двигателя при росте мощности двигателя и крутящего момента, улучшении экологичности;
  • механически конструкция Common Rail проще, чем у системы ТНВД с форсунками, её ремонтопригодность выше.

Недостатки системы Common Rail:

  • более сложные форсунки относительно традиционных систем впрыска (требуют более частой замены), более высокая стоимость запчастей;
  • затруднение или невозможность произвести ремонт или настройку системы собственными силами, т.к. требуется специальный стенд и инструменты, также очень высокие требования к квалификации персонала сервиса для диагностики, ремонта и настройки систем Common Rail;
  • необходимость для достижения максимального эффекта большого числа разного рода датчиков, активаторов и иных элементов управления: датчик давления в рампе, датчик потока воздуха, датчики положений распредвала и коленвала, температурные датчики двигателя и входящего воздуха, датчик положения педали акселератора, датчик системы подогрева, соленоиды, клапан регулятор давления в рампе, клапан турбонаддува, клапан рециркуляции выхлопных газов;
  • систему необходимо настраивать под пропускную способность каждой форсунки, в т.ч. после замены форсунок;
  • отказ системы при разгерметизации любого элемента высокого давления, например, при «зависании» клапана любой форсунки в открытом положении;
  • высокие требования к качеству топлива, риск поломки системы из-за мелких посторонних частиц в топливе.

[свернуть]

Устройство системы Common Rail

Раскрыть...

Упрощённо конструкцию Common Rail можно описать так:

  • топливо, готовое для впрыска, постоянно находится под высоким давлением в рампе, куда оно нагнетается специальным насосом сразу же, как только двигатель начинает совершать первые обороты;
  • по топливопроводам топливо под общим давлением постоянно поступает к форсункам;
  • форсунки открываются для впрыска по командам ЭБУ.

Система Common Rail

В целом Common Rail состоит из трех основных частей: контура низкого давления, контура высокого давления и системы датчиков.

Устройство системы Common Rail

В контур низкого давления входят: топливный бак, подкачивающий насос, топливный фильтр и соединительные трубопроводы. Подкачивающий насос засасывает топливо из бака, пропускает его через фильтр тонкой очистки и доставляет под давлением 6–7 бар к контуру высокого давления (ТНВД). Он либо шестеренчатый и тогда встроен в корпус ТНВД, либо электрический и находится в модуле топливозаборника или в магистрали.

Система Common Rail

Контур высокого давления состоит из ТНВД с контрольным клапаном, аккумуляторного узла высокого давления (рампы) с датчиком давления, форсунок и соединительных трубопроводов высокого давления. Аккумуляторный узел представляет собой длинную трубу с поперечно расположенными штуцерами для подсоединения форсунок и выполнен двухслойным. ТНВД подает топливо в аккумуляторный узел, где оно находится при максимальном давлении (обеспечено контрольным клапаном). Если контрольный клапан ТНВД открывается (по команде ЭБУ), топливо от насоса по сливному трубопроводу поступает обратно в топливный бак. Каждая форсунка соединяется с аккумуляторным узлом отдельным трубопроводом высокого давления, а внутри форсунки имеется управляющий соленоид (электромагнитный либо пьезокристаллический клапан).

Система Common Rail

На современных дизелях Common Rail применяют ТНВД радиально-плунжерного или плунжерного типа (компактное устройство с одним, двумя или тремя плунжерами и механическим приводом). Корпус ТНВД — из алюминиевого сплава, гильзы плунжеров стальные. Чтобы на холостом ходу и при малых нагрузках насос не гонял топливо зря, на некоторых трехплунжерных ТНВД автоматически отключается одна секция, а двухплунжерные регулируются дозирующими устройствами (клапан дозирования топлива, управляет количеством топлива на входе ТНВД в зависимости от потребностей двигателя).

Уже в режиме прокрутки коленвала стартером ТНВД создает пусковое давление 350–400 атмосфер. На минимальных оборотах холостого хода — до 500–600 атмосфер, а при максимальной нагрузке — до 3000 атмосфер. Величину рабочего давления задает регулятор, расположенный на корпусе ТНВД либо на рампе и подчиненный ЭБУ двигателя на основе сигналов датчика давления в рампе.

Топливная рампа предназначена для выполнения нескольких функций: накопления топлива и содержание его под высоким давлением, смягчения колебаний давления, возникающих вследствие пульсации подачи от ТНВД, распределения топлива по форсункам.

Система Common Rail

Форсунка непосредственно осуществляет впрыск топлива в камеру сгорания двигателя по командам ЭБУ. Форсунки связаны с топливной рампой топливопроводами высокого давления. Используются электрогидравлические форсунки (клапан электромагнитного типа, относительно «медленный») или пьезофорсунки (клапан на основе пьезокристаллов, обладающий значительно более высоким быстродействием). На современных двигателях успешно применяются оба варианта. Золотник сжимает пружину, игла форсунки открывает путь топливу — и оно впрыскивается в камеру сгорания. Впрыск продолжается, пока клапан форсунки не отключится по команде ЭБУ. Таким образом, именно ЭБУ определяет время начала впрыска и его продолжительность (т.е. — количество топлива в цилиндре), анализируя показания датчиков и производя постоянный контроль работоспособности системы.

В системе управления используется множество датчиков: оборотов двигателя, положения коленчатого вала (датчик Холла), положения распредвала, перемещения педали «газа», давления наддува, температуры воздуха и охлаждающей жидкости, массового расхода воздуха, давления топлива, кислородный датчик (лямбда-зонд).

[свернуть]

Диагностика системы Common Rail

Раскрыть...

Диагностика электронных систем начинается со считывания кодов неисправностей, проверки датчиков, исполнительных механизмов. Особых дизельных сканеров нет, есть универсальные для широкого круга автомобилей либо дилерские — на определенную марку. Для изучения сигнала с проверяемого устройства нужен осциллограф, но выгоднее купить сканер с дополнительной функцией осциллографа.

Давление топлива проверяют манометрами. Низкое — механическим, со шкалой до 10 бар, а высокое — специальным прибором с переходниками и диапазоном не ниже 3000 бар. Измерение количества топлива, сливаемого из форсунок, требует отдельного набора.

Алгоритм поиска неисправности зависит от характера отказа. Если двигатель не заводится, сначала проверяем целостность привода ГРМ. Если стартер вращает коленвал с усилием — привод ГРМ цел, хорошо. Если без сопротивления — плохо: дизельные двигатели «втыковые», при разрушении привода ГРМ поршни гнут клапана.

Если привод ГРМ в порядке, переходим к проверке топливоподачи. Электрический подкачивающий насос включается с поворотом ключа зажигания. При износе или повреждении этого насоса меняется потребляемая им мощность, ЭБУ фиксирует это как неисправность и записывает в память системы её код. Но полностью полагаться на электронику не стоит, поэтому подключаем манометр к магистрали низкого давления (у механического подкачивающего насоса для удобства контроля есть штуцер). Если здесь давление в норме, переходим к ТНВД.

Проверяем давление топлива в рампе в режиме прокрутки коленвала стартером. Эта часть системы оснащена датчиком давления топлива — воспользуемся его услугами. Подключаем к диагностическому разъему сканер и находим нужный параметр. Если он ниже нормы, ищем, где скрывается неисправность. Виноваты могут быть форсунки, электромагнитные клапаны (регуляторы) и сам ТНВД.

Дизель Common Rail бывает невозможно пустить из-за неисправности хотя бы одной из форсунок. Утечка топлива через ее клапан не позволяет давлению в рампе подняться до пусковых значений. Для проверки давления при пуске есть специальный диагностический набор (контрольный манометр, датчик давления, трубки для подключения, заглушки вместо исполнительных механизмов и мерные емкости обратного слива).

Восстановление работоспособности насоса по силам лишь специализированной мастерской — с квалифицированным персоналом и диагностическим оборудованием. Ремонт дорогой, иногда разумнее купить новый ТНВД, но в ходу и отремонтированные или восстановленные изделия.

Изношенные форсунки разумно менять комплектом, при этом разброс цен очень велик. Характеристики каждой новой форсунки необходимо записать в память блока управления двигателем, ибо нет двух форсунок с одинаковой производительностью, что при отсутствии настройки плохо отражается на равномерности работы двигателя и его динамических нагрузках. Хотя в каждом ЭБУ присутствует динамическая адаптация (постоянная корректировка цикловой подачи топлива для равномерной работы мотора), она не может подменить собой начальную настройку системы.


[свернуть]

История

Раскрыть...

В 1934-35 гг. был сконструирован, а в 1936 г. был показан на авиашоу в Париже дизельный двигатель Коатален (L.Coatalen). Отличием дизеля Коаталена от иных дизелей был впрыск топлива в цилиндры не гидравлическим открыванием клапана форсунки, а механическим открыванием и применением гидроаккумулятора, топливо в который нагнетается независимым от распределительной системы ТНВД. Фактически был показан работоспособный двигатель с прообразом системы Common Rail.

Впервые система непосредственного впрыска топлива на дизельных двигателях была разработана и внедрена в 1939 году Советскими инженерами при создании двигателя семейства В-2 (для танка Т-34) на Харьковском паровозостроительном заводе. Позже, в середине XX века, разработки аккумуляторных систем питания проводились в СССР на Коломенском Заводе, однако ввиду недостаточного развития электроники в те времена удачных реализаций подобных систем не было.

Прототип автомобильной системы Common Rail был создан в конце 1960-х годов Робертом Хубером в Швейцарии, далее технологию разрабатывал доктор Марко Гансер из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

В середине 1990-х годов доктор Шохей Ито и Масахико Мияки из корпорации Denso разработали систему Common Rail для коммерческого транспорта и воплотили её в системе ECD-U2, которая стала использоваться на грузовиках Hino Rising Ranger; в 1995 году они продали технологию другим производителям. Поэтому Denso считается пионером в адаптации системы Common Rail к нуждам автомобилестроения.

Технология электронного управления форсунками была детально разработана общими усилиями компаний Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat и Elasis. После того, как Fiat разработал дизайн и концепцию системы, она была продана немецкой компании Robert Bosch GmbH для разработки массового продукта. Это оказалось большим просчетом Fiat, поскольку новая технология стала очень выгодна, но в то время итальянский концерн не имел финансовых ресурсов для завершения работ. Тем не менее, итальянцы первые применили систему Common Rail в 1997 году на Alfa Romeo 156 1.9 JTD и только потом она появилась на Mercedes-Benz C220CDI.

[свернуть]

Дизель В-2

Раскрыть...

В-2 — советский V-образный 12-цилиндровый четырёхтактный дизельный танковый двигатель водяного охлаждения со струйным распылением топлива. Серийное производство В-2 началось 1 сентября 1939 года. Принят на вооружение РККА в том же году в трёх модификациях: В-2 (500 л.с., основное применение — танк Т-34), В-2К (600 л.с., для тяжелых танков КВ) и В-2В (375 л.с.).

Дизель В-2

Объём дизеля 38,8 литра, степень сжатия 14 и 15 (разная для левой и правой групп поршней). Номинальная мощность двигателя 450лс при 1750 об/мин, эксплуатационная — 400лс при 1700 об/мин, максимальная — 500лс при 1800 об/мин. Диаметр цилиндра 150 мм. Ход поршней левой группы 180 мм, правой — 186,7 мм. Цилиндры располагались V-образно под углом 60 градусов.

Изначально двигатель разрабатывался для применения на тяжёлых бомбардировщиках, что определило некоторые конструктивные особенности дизеля, нехарактерные для двигателей сухопутных машин, и обусловило весьма высокое техническое совершенство двигателя. Среди них:

  • облегчённая конструкция с широким использованием лёгких сплавов (в середине войны из-за недостатка алюминия пришлось на время заменить силумин чугуном);
  • верхнее расположение распределительных валов, по два в каждой головке двигателя (DOHC);
  • 4 клапана на цилиндр;
  • сухой картер;
  • непосредственный впрыск топлива, струйное смесеобразование;
  • привод всех агрегатов и систем двигателя посредством конических зубчатых передач и промежуточных наклонных валов;
  • использование стальных шпилек в качестве основного силового элемента для стягивания головки, блока цилиндров и картера.

Однако довести мощность до требований авиаторов (1000—1500 л.с.) даже путём применения наддува не удалось, и конструкция двигателя была откорректирована для установки на танки.

Двигатель В-2 является родоначальником целого семейства быстроходных дизелей, применяемых в тяжелом автотранспорте, на речных судах, военной технике, тракторах, железнодорожных локомотивах, генераторных электроустановках. По состоянию на 2012 год дизели Д6, Д12, Д20 продолжают производиться на ОАО «Барнаултрансмаш», а дизели В-31, В-46, В-58, В-59, В-84, В-92С2Ф на ЧТЗ.

Разработанные в основе своей в 30-х годах дизели Д12 и В-2 даже по состоянию на начало XXI века характеризуются высокими удельными параметрами, их удельная масса составляет всего 2,05 кг/лс, а удельный расход топлива — 165 г/лс*ч. Недостатки же обусловлены главным образом технологическими и иного характера ограничениями, имевшимися на момент разработки двигателя и его постановки в производство, в частности:

  • неэффективная работа маслосъёмных колец устаревшей конструкции и тем самым большой расход масла на угар — 20 г/лс*ч;
  • сложная схема приводов распределительных валов, содержащая большое количество механических передач (в 1930-х годах ещё не существовало приводных цепей, способных работать на высоких скоростях) и тем самым повышенный уровень шума, низкий ресурс, сложность в обслуживании;
  • сложный сборный коленвал, стоимость которого составляет около 30% от всего двигателя — в 1930-х годах ещё не существовало способов объёмной штамповки столь крупных деталей;
  • неэффективная система электростартерного пуска (низкий КПД стартера СТ-712, неоптимальное передаточное число);
  • высокая скорость роста давления на поршневую группу (т.н. жесткость работы двигателя), ведущая к уменьшению общего ресурса (причина — в не совсем эффективном смесеобразовании из-за выбранной формы камеры сгорания, количества сопловых отверстий и некоторых других деталей);
  • отсутствие совместной балансировки коленчатого вала и маховика, что не позволяет существенно увеличить ресурс.

За долгие годы серийного выпуска дизелей В-2, Д12 и Д6 их конструкция, несмотря на появление новых материалов и технических решений, позволяющих сравнительно легко устранить указанные недостатки, практически не претерпела изменений.

[свернуть]

Первоисточники

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*